Demostración de la teoría cinética de la matería

MOVIMIENTO BROWNIANO

En 1827 Robert Brown observo que cuando suspendía unos pequeños granos de polen estos presentaban un movimiento irregular. Este fenómeno fue llamado Movimiento Browniano en honor a su trabajo. Brown demostró que el movimiento estaba presente en cualquier suspensión de partículas finas de vidrio y minerales, por lo que descartó cualquier origen orgánico de este movimiento.

Este problema del movimiento browniano fue resulto hasta que Einstein en 1905 dio una explicación satisfactoria. Y hubo otra de Smoluchowski.

El movimiento es causado por los impactos frecuentes en el grano de polen de las moléculas del líquido, las cuales están en un movimiento incesante.

El movimiento de estas moléculas es tan complicado, que su efecto en el grano de polen puede describirse solo por probabilidad.

La explicación de Einstein es considera para los propósitos prácticos, como el primer modelo estocástico de un fenómeno natural.

Se sabía que cuanto menor fuese el tamaño de las partículas más rápido se desarrollaba el movimiento, un aumento de la temperatura también parecía incrementar la agitación de las mismas. Esas teorías eran coherentes con la teoría de la cinética de los gases. Einstein fue quien estableció las primeras implicaciones cuantitativas de la teoría de la cinética del movimiento Browniano.

Teoría cinética: desde el siglo XVII a partir de las investigaciones de Robert Boyle se sabe que existe una relación entre la presión y el volumen de un gas: análogamente existe también una relación directa entre presión y temperatura. Ambas relaciones  quedan resumidas para el caso del gas ideal en la ecuación general de los gases ideales. La teoría cinética no da una descripción detallada de los movimientos de las partículas, sino que ofrece una descripción estadística plausibles por el hecho de que un sistema se compone por muchas partículas.

Para analizar la situación descompone en dos partes el movimiento browniano: la primera parte de carácter matemático deduce una ecuación que describe la difusión de una partícula browniana en suspensión a través de un medio fluido. La segunda constituye un argumento físico y relaciona la tasa mesurable de la difusión de la partícula con otras magnitudes físicas, tales como el número de Avogadro. Einstein uso el movimiento Browniano para confirmar la teoría atómica de la materia, demostrando además que la medición de ciertas propiedades del movimiento determinaba diversas constantes físicas como las masas de los átomos y moléculas, el valor del número de Avogadro.

El movimiento browniano es un efecto aleatorio; la trayectoria de la partícula en suspensión deviene imprevisible en razón de las fluctuaciones arbitrarias de la velocidad de las moléculas circundantes.

Esta explicación nos permite saber hoy en día que el movimiento de un grano de polen en un fluido se debe al bombardeo continuo de las moléculas de este. El estudio del movimiento ha contribuido a una nueva concepción teórica más profunda de los principios de la termodinámica, en matemáticas ha generado la invención de técnicas para la investigación general de procesos de probabilidad, derivado de técnicas aplicables al control del “ruido” electromagnético y la comprensión de la dinámica de la agregación estelar, de la evolución de ecosistemas y del comportamiento de los precios del mercado.

Ecuación de Langevin para el movimiento Browniano

Revela las fluctuaciones estadísticas que ocurren en un sistema de equilibrio térmico.

*Equilibrio Térmico: Se observa que si un objeto que está a temperatura alta, entra en contacto con otro a más baja temperatura, se transfiere calor hacia el objeto de más baja temperatura. Los dos objetos alcanzarán la misma temperatura, y en ausencia de pérdidas hacia otros objetos, mantendrán una temperatura constante.

Consideremos que una partícula de masa m que tiene coordenadas del centro de masa al tiempo t esta desinada por x(t) y cuya velocidad es  v=dx/dt. Esta partícula esta inmersa en un líquido a temperatura absoluta T. Tratar de describir la interaccion de la partícula con los grados de libertad del líquido que la rodea es una tarea muy complicada. Y se puede considerar que la fuerza neta efectiva  F(t) sobre la partícula. Y si esta interactúa con otras fuerzas externas, tales como la gravedad o campos electromagnéticos, a través de una fuera denotada por F(t), entonces la segunda ley de Newton puede escribirse como

Básicamente F(t)  depende de las posiciones de muchos átomos en constante movimiento.

La ecuación e válida para cada miembro del ensamble y nuestro objetivo es hacer predicciones estadísticas acerca de v. Como F(t) es una función que fluctúa rápidamente , se sigue  que v también es una función fluctuante en el tiempo. La función v tiene una parte que varia lentamente (su promedio) y otra que fluctúa rápidamente (v´), cuyo promedio es cero, por lo que podemos escribir.

La parte de variación lenta v ̅  , es crucial para determinar el comportamiento de la partícula en grandes períodos de tiempo. Para investigar su dependencia integremos la ecuación sobre un intervalo.

Fuentes:

1.    “El movimiento browniano” B. H. Lavenda. Investigación y Ciencia N° 16: Calor y movimiento.

2.    http://www.nndb.com/people/050/000100747/robert-brown-1-sized.jpg

3.    http://bidi.unam.mx/libroe_2007/motores/A05.pdf

Teoría cinética de la materia en el universo.

En el universo siempre han estado presentes galaxias, en las cuales se presentan en distintos tipos por ejemplo:
Galaxias elípticas.

Galaxias espirales.

Galaxias irregulares. 

Y cada una de ellas compuesta por millones y millones de constelaciones las cuales se forman a partir de las estrellas, ya que con estas se puede apreciar de mejor manera la teoría cinética, pues siempre están en constante movimiento gracias a una fuerza de gran escala, es decir, la gravedad, la cual está presente en todo momento, y hace posible un equilibrio y cinética entre cada uno de los cuerpos que yacen en este complejo todo, llamado universo.

También cabe destacar que al morir una estrella, esta se destruye lanzando en diferentes direcciones sus restos, los cuales comienzan a tener cierto movimiento e ir vagando en este complejo todo, la energía cinética contribuye en dicho proceso.

TERMODINAMICA

TERMODINAMICA

La termodinámica es una ciencia fundamentalmente sobre la relación entre el calor y otras formas de energía (principalmente mecánica) que hay que recordar que la energía mecánica es el resultado de la suma de la energía cinética y la energía potencial.

La termodinámica esta basada en unos cuentos principios, que son validados y generalizados a partir de la experiencia. Estudia las relaciones entre las variables macroscópicas y no hace hipótesis sobre su estructura microscópica.
"Es la única teoría de la física de contenido universal, de la cual estoy convencido que, en la aplicación de sus conceptos, nunca será destruida"  A. Einstein.

Nicolás Leonard Sadi Carnot

Es considerado como el padre de la termodinámica.
Varios científicos y químicos han propuesto que la termodinámica es el origen como de la vida como de la materia.
El ingeniero químico Enrique Aguilar Rodríguez considero a la termodinámica como "la ciencia fundamental"

Para el estado físico de agregación, liquido la termodinámica influye ya que si se le aplica calor constante por un tiempo establecido, tarde o temprano el liquido pasara a ser un gas, o también puede llegarse a la misma conclusión si se le aplica movimiento muy acelerado por un tiempo determinado y también hay muchas mas maneras de usar la termodinámica para cambiar a la materia como usar la presión atmosférica.
Un claro ejemplo de la aplicación de la termodinámica en la materia es la olla exprés.



En esta vaso con hielos se puede utilizar mejor el movimiento para transformar de solido a liquido la materia.

Bibliografía: Aguilar Rodríguez Enrique,
La termodinámica según mi abuelita, Ediciones Gráficas, México, 2013, 168 págs..

LIQUIDOS

LIQUIDOS

En la materia existen estados de agregación, de los cueles los mas comunes son: solido, líquidos y gaseoso, que ya se hablo de una manera general de ellos, en este caso se hablara detalladamente del estado liquido.

Como bien ya lo sabemos en el estado liquido es cuando las moléculas están dispersas, están en movimiento resbalándose de un lado a otro, en este estado las moléculas están separadas y se mueven de manera en la que pueden cambiar de posiciones, pero las fuerzas de cohesión, impiden que las moléculas puedan independizarse, por eso se mantienen en este estado sino se transformaría a un gas.

Aquí se puede observar como las fuerzas de cohesión no permiten que las moléculas se separen pero tampoco las inmoviliza.


El factor que principalmente es el responsable de los cambios de agregación de la materia, se debe gracias al calor. El calor es la unidad elemental de estos cambios físicos de la materia que es mejor conocido como termodinámica.

LA MATERIA EN LA VIDA COTIDIANA (VISITA AL MUSEO "UNIVERSUM")

LA MATERIA EN LA VIDA COTIDIANA

 (VISITA AL MUSEO "UNIVERSUM")

Una de las sustancias que pueden demostrarnos los 3 estados de la materia (los principales) es "El Agua", en la visita hecha al museo Universum, encontramos la siguiente información con respecto a sus propiedades haciendo referencia de estos 3 estados. 

Estados del Agua: Líquido, sólido y gaseoso 

Y como habiamos visto anteriormente la materia no es estática, tiene movimietno y aqui podemos ver el movimeinto que hay en esta sustancia tan importante en nuestra vida 

A continuación se ilustra como esta sustancia, hace sus 3 cambios de estados, esta imagen la conocemos como "El ciclo del agua" 

Es el ciclo de transformación del agua. El agua que se encuentra en la superficie terrestre se evapora, lo cual le permite llegar hasta las nubes, desde las cuales luego baja en forma de precipitación para volver a la superficie e iniciar el ciclo nuevamente.

Las fases del ciclo del agua

1) Evaporación: el agua que se encuentra en la superficie (océanos, ríos) se evapora. Al transformarse en vapor, su peso disminuye y logra subir hasta la atmósfera. 

2) Condensación: el agua (enforma de vapor) que sube hasta la atmósfera se condensa, formando así las nubes, las cuales están formadas por cientos de miles de gotas.

3) Precipitación: las gotas se condensan y se unen para formar gotas mayores, las cuales caen hacia la superficie. Generalmente caen en forma de lluvia, aunque también puede caer nieve o granizo.

4) Infiltración: el agua que cae llega hasta el suelo y penetra en él a través de sus poros, pasando a ser subterránea. Una parte del agua caída es utilizada directamente por las plantas o a veces por las personas.

Objetivo e introducción

Objetivo:

Demostrar al lector mediante publicaciones con referencia a la teoría cinética de la materia, las teorías y sus fenómenos naturales en la que esta presente cotidianamente dicha teoria. 

INTRODUCCIÓN

Para dar paso al estudio de la teoría cinética de la materia, es necesario comprender su significado, el cual se ha ido estudiando a lo largo del pensamiento humano, en donde su búsqueda ha querido poder responder una sencilla pregunta, ¿Que es la materia? , para lo cual la respuesta sería "Todo lo que vemos" ya que ese todo esta formado por  unas partículas muy pequeñas, las cuales no son invisibles aún en los mejores microscopios y que solemos llamar moléculas. Estas moléculas están en continuo movimiento y entre ellas existen fuerzas atractivas, llamadas fuerzas de cohesión. Las moléculas al estar en movimiento, se encuentran a una cierta distancia unas de otras.

Esta materia se nos presenta en sus tres estados: la gaseosa, la líquida y la sólida. Y de los cambios que pueden darse entre estas fases. Por ejemplo en el estado sólido las moléculas están muy juntas y se mueven oscilando alrededor de unas posiciones fijas; las fuerzas de cohesión son muy grandes. En el estado líquido las moléculas están más separadas y se mueven de manera que puedan cambiar sus posiciones, pero las fuerzas de cohesión, aunque son menos intensas que en el estado sólido, impiden que las moléculas puedan independizarse. En el estado gaseoso las moléculas están totalmente separadas unas de otras y se mueven libremente; no existen fuerzas de cohesión.

Hoy en día sabemos que la materia está compuesta por átomos y moléculas. Hay leyes que gobiernan los átomos y moléculas y estos conocimientos fueron un gran avance para la ciencia pero en especial para la Física en el siglo XX, pues estos conceptos y sus relaciones no fueron correctamente enunciados y comprendidos sino hasta dicho siglo, con los trabajos de Rumford, Joule, Mayer, Clausius y Von Helmholtz, que culminaron en lo que ahora se conoce como la termostática o termodinámica clásica. 

Datos

Universidad Nacional Autónoma de México

Escuela Nacional Preparatoria No. 7

"Ezequiel A. Chávez"

Teoría Cinética de la Materia

Grupo: 607

Profesora: Díaz Martínez María Teresa

Integrantes:

              - Contreras Ibarra Jose Angel

              - Flores Rojas Estefania 

              - Garibaldi Perez Karla Alejandra

              - Roman Hernandez Alexa Sofia

              - Romero Osorio Carlos Damian

Ciclo escolar: 2016 - 2017

¿QUÉ ES LA MATERIA?

LA MATERIA

Los seres humanos siempre sean cuestionado acerca del mundo que los rodea y el tratar de entenderlo. El aire, la tierra y el agua están formados por materia. Definamos materia de la forma más común que conocemos, "la materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio" pero ahora le agregaremos que también tiene que tener una masa cuantificable. 

La materia esta compuesta por moléculas y átomos, recordemos que en el año 400 a.C. los filósofos griegos Leucipo y Demócrito habían imaginado el mundo como formado por partículas muy pequeñas que llamaron átomos, partículas indivisibles, incluso se conocían como la parte más pequeña,de una extensión finita pero de número infinito.

te has preguntado lo siguiente: ¿La materia es Estática? esto quiere decir que no tiene movimiento alguno,  si ¿esta compuesta por algo más pequeño ?

PIÉNSALO, mientras analizas la siguiente imagen ...

¿YA TIENES LA RESPUESTA...? 

Para confirmar que realmente estas en lo correcto, ve las siguientes imágenes de como se prepara una taza de café. 

1. 

2. 

3.

Ahora sí estás listo ? ...

Sí tu respuesta fue que está estáticas la primer imagen o todas las demás, se puedo justificar con una cita sacada de la obra de un poeta y filósofo llamado Lucrecio, quién escribió De la naturaleza de las cosas, donde en el Libro II, se refiere a la aparente quietud de las cosas, dice: 

"Las cosas aparecen quietas aunque los principios (átomos) se muevan sin tregua; sus movimientos no se ven porque ellos son invisibles. Incluso las cosas visibles, si están lejos, ocultan sus movimientos..."

Nosotros estamos acostumbrados ejemplificando de nuevo el proceso para preparar una taza de café, a no darle importancia a los fenómenos "intermedios" entre cada fase, por ejemplo cuando empieza a hervir el agua, antes de ello el agua esta "quieta", y después de que la ponemos en la taza y dejamos que pase un rato nos da la misma aparente "quietud" porque las partículas, es decir la parte más pequeña que tiene la materia, como átomos y moléculas son invisibles a simple vista, pero si pudiéramos abrir esa "materia" veríamos que estas partículas están siempre en movimiento. 

Los cambios que y las propiedades mismas de la materia en sus tres fases sólido, líquido y gaseoso, deben de estar relacionadas con el comportamiento de los átomos o las moléculas que los forman. 

En nuestro ejemplo sabemos que los procedimientos de calentamiento y enfriamiento tienen una influencia notable, tanto en las propiedades mismas de las tres fases en que nos encontramos a la materia, como en los cambios que se presente entre ellas.

Pero ¿Es posible que exista una relación entre todas esas "Fases" o cambios de estado que son sólido, líquido y gas, considerando que cada una tiene sus propias características, hechos en forma de conjuntos de millones de moléculas o átomos? 

La respuesta es "Sí", existe una rama de la física que se encarga de decirnos y de estudiar cómo y por qué ocurren estos fenómenos, se le conoce como "TEORÍA DE LA CINÉTICA DE LA MATERIA". 

Esta teoría vio sus primeras luces en el siglo XVIII, en un trabajo de un gran matemático suizo Daniel Bernoulli, quien construyó una teoría muy correcta de la Teoría de la cinética de los gases. Pero hasta el siglo XX con los trabajos de Rumford, Joule, Mayer, Clausius, fue que existió la posibilidad de interpretar todos los fenómenos descriptibles por las leyes de la termostática en términos de los átomos que componen a la materia, entonces es cuando sale a la Luz.

REFERENCIAS: 

1. García Colíns,Leopoldo. "Y sin embargo se mueven .. teoría de la cinética de la materia". México D.F (actual CDMX). Fondo de Cultura Económica. 1995. pág 127.
2. https://www.tplaboratorioquimico.com/quimica-general/las-propiedades-de-la-materia/que-es-la-materia.html